스위스 EPFL, 딱정벌레 겉날개 모방한 고정익 드론 개발

딱정벌레나 무당벌레는 '엘리트라(elytra)'라는 겉날개를 가지고 있다. 겉날개는 딱딱하게 키틴화되어 있어 비상(飛上)용 보다는 몸을 보호하는 기능을 갖는다. 딱정벌레는 몸체가 뒤집어졌을 때 겉날개를 이용해 몸을 바로 세운 후 뒷날개를 이용해 날아간다. 뒷날개는 반투명으로 실제 비상하는 데 쓰인다.

IEEE 스펙트럼에 따르면 스위스 EPFL 연구진은 딱정벌레와 무당벌레의 엘리트라(겉날개)에서 아이디어를 얻어 인공 엘리트라를 제작해 고정익 드론에 부착했다. 인공 엘리트라는 드론이 전복됐을 때 몸체를 다시 세우고, 비행시 공기역학을 개선해 효율적으로 비상할 수 있도록 하는 역할을 한다.

연구진은 시뮬레이션 환경에서 인공 엘리트라를 장착한 고정익 드론을 테스트한 결과 좋은 성과를 거뒀다. 그리고 연구 성과를 'IEEE 로보틱스 앤 오토메이션 레터스(Robotics and Automation Letters)' 최신호에 발표했다.

EPFL 연구진은 “무당벌레와 딱정벌레는 수 천만년동안 지구상에 존재해 왔다. 그러면서 그들은 현대 로봇공학에 영감을 주고 응용할 수 있는 생존 메커니즘을 개발해 왔다"고 말한다. 연구진은 특히 딱정벌레의 엘리트라에 흥미를 느꼈다. 딱정벌레의 엘리트라는 뒷날개 윗부분에 위치하고 있으며, 뒷날개는 반투명의 부속품으로 실제 비행하는 데 쓰인다.

무당벌레도 뒤로 넘어지면 엘리트라를 이용해 몸을 안정화시킨 후 다리나 뒷날개를 밀어붙여 똑바로 선다. 연구팀은 인공 엘리트라와 액추에이터를 활용해 전복된 상태에서 똑바로 서고, 효율적으로 비행할 수 있는 ‘마이크로 공중 탈것(MAV)’을 설계했다. 연구팀은 "인공 엘리트라는 곤충과 비슷하게 본체가 뒤집히거나 거꾸로 착륙시 방향을 바꿀 수 있는 자유도를 제공한다“고 말했다.

연구팀은 서로 다른 길이(11, 14, 17cm)와 토크를 갖고 있는 인공 엘리트라의 다양한 조합을 만들어 테스트했다. 실험 결과 토크가 비행체의 성능에 미치는 영향은 적었지만 엘리트라의 길이는 상당한 영향을 미친 것으로 나타났다. 즉 엘리트라의 길이가 길수록 비행 성공률이 높다는 것이다. 또한 연구진은 10°, 20°, 30° 등 서로 다른 경사도와 다른 방향에서 길이가 긴 엘리트라 장착 드론을 테스트한 결과 아주 급격한 경사면을 제외하고 모든 시나리오에서 인공 엘리트라가 기대한 성능을 발휘한 것으로 나타났다.

연구진은 포장, 모래 코스, 고운 모래, 바위, 조개껍질, 나무조각, 잔디 등 7개 지형에서 드론을 테스트한 결과 풀과 고운 모래를 제외한 모든 지형에서 인공 엘리트라를 채택한 드론이 완벽한 성공률로 똑바로 선 것으로 나타났다. 또한 엘리트라는 비행 중 무시할 수 없는 상승 효과를 주면서 드론의 무게를 상쇄하는 것으로 나타났다.